קונטיינרים – הפתרונות שקיימים ומה כדאי לבדוק

אם יש משהו שמרגיז אותי בלא מעט מקרים בכל הקשור לפלטפורמות קונטיינרים למיניהן, זה החלק של החומרה, וליתר דיוק – היעוץ שחברות ועסקים מקבלים לגבי הדרישות ברזלים להרמת הפלטפורמה הזו.

(הערה: מכיוון שמערכות כמו OpenShift, IBM Private Cloud, CAAS, Rancher ועוד מבוססים על Kubernetes ועל זה הם הוסיפו דברים אחרים, אתייחס בפוסט זה ל-Kubernetes או בשמו המקוצר הידוע – K8S).

אחד הדברים הראשונים שמנמר"ים ואנשי IT רבים עדיין לא מבינים, זה את הבסיס, שקונטיינרים אינם מכונות וירטואליות. קונטיינר שקם משתמש ב-Images והוא לא מיועד לאחסן נתונים באופן פרמננטי כמו במכונה וירטואלית, לשם אחסון נתונים יש Volumes שעליהם אתייחס בפוסט זה בהמשך. בקונטיינר אין מערכת הפעלה מלאה, אלא מה שהותקן בעת הקמת ה-Image וברוב מוחלט של המקרים מדובר במשהו מזערי שאמור לספק את דרישות האפליקציה שתרוץ בקונטיינר. בנוסף, קונטיינר מאובטח לא אמור להריץ שרותים כמשתמש root אלא כמשתמש רגיל (ללא הרשאות root/sudo) ולבסוף – קונטיינרים לא אמורים להריץ מספר אפליקציות, אלא אפליקציה אחת בכל קונטיינר/POD ו"לדבר" עם POD/קונטיינרים נוספים שמריצים אפליקציות אחרות, בשביל זה יש לנו TCP/IP ובשביל זה יש שרות DNS פנימי שרץ על K8S שיודע לתקשר בין החלקים והשרותים השונים.

הדבר השני שחשוב להבין בקונטיינרים, זה שזו מערכת מאוד דינמית. לא מומלץ לנסות לקבוע למערכת על איזה שרת לרוץ, מערכת K8S יודעת לבד באיזה שרת להקים את הקונטיינרים, היא יודעת למדוד עומסים וכשצריך – היא תקים את הקונטיינר בשרת אחר אם השרת שכרגע הקונטיינר רץ – עמוס או תקול. אין Live Migration של קונטיינרים, יש להרוג את הקונטיינר ולהריץ אותו מחדש במקום אחר, ובגלל זה כל מידע שצריך להישמר – צריך להיות מאוחסן ב-Volume, אחרת המידע ימחק.

הרעיון של Volume הוא שונה מכל מה שאנחנו מכירים וקשור לאחסון. במערכות וירטואליזציה לדוגמא, אנחנו מגדירים "אחסון" (כמו Datastore ב-VMWare) שיש לו Backing שיכול להיות iSCSI, NFS ובמקרה של Hyper-V זה יכול להיות CIFS. בפתרון הסטורג' שלנו אנחנו מקימים LUN או מחיצה כלשהו שייוצאו כ-NFS/CIFS לפתרון הוירטואליזציה (לא ניכנס עכשיו לכל עניין שרידות, Multipath ושאר ירקות) ועל המקום הזה פתרון הוירטואליזציה שלנו יוצר/משתמש בדיסקים וירטואליים כדי להריץ את מערכת ההפעלה ולאחסן את המידע שלנו.

ב-Volumes לעומת זאת, הדברים שונים לחלוטין. אנחנו עדיין צריכים את ה-Backing (רק שיש הרבה יותר אופציות מאשר iSCSI, NFS – יש 26 אופציות, ו-OpenShift מוסיף עוד כמה) מהסטורג' כדי לאחסן את ה-Volumes, אבל כשאנחנו באים ליצור/להשתמש ב-Volume, אנחנו צריכים קודם כל להגדיר Persistence Volume, להגדיר מה הגודל של אותו Persistence Volume, מה יקרה ל-DATA באותו Volume אחרי שהקונטיינר מת, ומה ההרשאות שיהיה לאותו Persistence Volume מבחינת קריאה/כתיבה. בהגדרות הקונטיינר עצמו אנחנו נשתמש ב-Persistence Volume Claim (או PVC בקיצור) כדי להתחבר לאותו Persistence Volume (או PV בקיצור) ולהגדיר גם Path להיכן להתחבר. ה-PV בדרך כלל מוגדר ברמה של מגהבייט או ג'יגהבייט.

דבר חשוב נוסף קשור לעננים ציבוריים, ואת הטעות הזו אני רואה במיוחד אצל לקוחות שלאחרונה התחילו להשתמש בעננים ציבוריים. מה הטעות? לנסות לבנות מערכות לקונטיינרים כאילו מדובר בתשתית מקומית. זו טעות. K8S נותן מספיק אפשרויות להשתמש בשרותי סטורג' ותקשורת שאותו ענן ציבורי נותן. דיברתי מקודם על Volumes, אז יש Volumes "טבעיים" לכל ספק ענן, לא צריך להקים שרת שיתן שרותי iSCSI או NFS בשביל Volumes ואפשר להשתמש בשאר שרותי הענן לצרכים שונים כדי להריץ K8S.

לכן, אם אנחנו רוצים להקים פלטפורמת K8S, אנחנו קודם כל צריכים להחליט, האם אנחנו מקימים את זה "על הברזל" או על מכונות וירטואליות? אם על מכונות וירטואליות והפתרון מבוסס vSphere, אז אנחנו יכולים להסתכל על VMware Kubernetes Engine™ VKE לדוגמא (ואפשר במקביל להציץ גם ב-PKS של VMWare/Pivotal). חובבי מיקרוסופט? בחודש הבא יוצא Windows Server 2019 שכולל את Kubernetes בתוכו. אם לעומת זאת אנחנו מעדיפים פתרונות כמו OpenShift, CAAS ואחרים, נצטרך להקים מכונות לינוקס ועליהן להריץ את אותם פתרונות. לא אכנס כאן ליתרונות וחסרונות של פתרונות "טבעיים" מול הקמת פתרונות על מכונות וירטואליות – אבל אחת הנקודות שחשוב לזכור, זה שפתרונות שמקימים על מכונות וירטואליות – זה שקל להזיז את הפתרון לעננים או למקומות אחרים במקום להיות "נעול" על פתרון שיצרני ה-OS ווירטואליזציה מציעים. חוץ מזה קיים גם עניין המחיר.

אם אנחנו רוצים להקים את פלטפורמת הקונטיינרים על ברזלים (ללא וירטואליזציה) חשוב שיהיו כמה דברים:

  • תקשורת 10 ג'יגהביט. שוב, אין בקונטיינרים Live Migration שמשתנה בו כמה קבצי קונפיגורציה וה-VM "קופץ" למכונה אחרת, יש הקמה מחדש של קונטיינרים ולמרות שה-Image נמצא בסטורג', בחלק מהמקרים הוא מועתק לדיסקים מקומיים ולכן פתרון תקשורת 1 ג'יגה יאיט הכל.
  • סטורג' עם שרידות – יש לא מעט חברות שבטוחות שזה שהדיסקים מחוברים בבקר RAID כפול יש אחלה שרידות. לדעתי – עדיף שרידות שאם "ראש" נופל, "ראש" אחר לוקח מיידית פיקוד, אבל שוב – הכל תלוי בתקציב וכמה הפלפורמה תהיה פרודקשן.
  • דיסקים מקומיים – מאוד חשוב. ה-Images ימצאו בדרך כלל ב-Container Registry, אבל הם יועתקו לדיסקים מקומיים ברוב המקרים ועם הדיסקים מקומיים איטיים, זמן הקמת הקונטיינר יתארך (ותהיו בטוחים שיהיו ערימות קונטיינרים, חוץ מהקונטיינרים שלכם, תלוי בפלטפורמה). דיסקים מכניים זה פתרון לא רע אבל אם רוצים ביצועים – תחשבו על SSD Mixed Intense.
  • אם המערכת הולכת להיות חשופה החוצה לאינטרנט (הכוונה השרותים כמו WEB חשופים לאינטרנט) – אז אבטחה רצינית היא חשובה: לא להקים Images כ-root, תקשורת ו-Namespace מופרדים ועוד דברים חשובים שמצריכים הכרה עמוקה עם פלטפורמת הקונטיינרים. תזכרו: קונטיינר שרץ כ-root וחשוף לרשת – יכול לתת לפורץ הרבה יותר ממה שאתם חושבים.

לסיכום: שוב ושוב אזכיר – קונטיינרים אינם VM והם מצריכים ידע שונה ותכנון שונה לגמרי מאשר פלטפורמות וירטואליזציה. חשוב לבדוק את האפשרויות מבחינת פלטפורמת קונטיינרים ובלא מעט מקרים להשקיע יותר כסף מאשר סתם להתקין K8S חופשי (האבטחה הפנימית של Kubernetes אינה מתחרה בפתרון כמו OpenShift). אם צריך, קחו קורס עבור המפתחים והעובדים על הפתרון שאתם הולכים להכניס וקחו יעוץ לפני שאתם מחליטים איזה פתרון קונטיינרים להטמיע.

הבעיות של SSD NVME בשרתים

עדכון: הפוסט שונה כדי לתאר את המצב שהבעיות מתחילות כשצריך גם קריאה/כתיבה גבוהה וגם כשהאפליקציות צריכים ביצועי מעבד גבוהים. במצב ניצול CPU נמוך, הבעיות כמעט ולא קיימות כי אין יניקת אוויר מאסיבית.

לפני מס' שבועות קיבלתי פניה מחברה מאוד גדולה (קיבלתי אישור לפרסם את העניין פה בפוסט) עם בעיה די מעניינת: הם רכשו שרת של HP עבור פרויקט מסויים שמצריך תעבורת נתונים במהירות מקסימלית תוך שימוש מאוד כבד במעבדים עם האפליקציה שלהם. הם רכשו דיסקים SSD NVME של אינטל מ-HP ו"על הנייר" הדיסקים והמערכת אמורים לתת את התוצאות שהם רוצים. לא חסר זכרון (יש 2 טרה), הדיסקים מחוברים ישירות דרך ה-PCI מה-Backplane עם הציוד ש-HP מכרו להם (אין בקר RAID כך שמדובר ב-RAID תוכנה ולא RAID-5) ובפועל המהירות מגיעה אולי ל-50% ואם מתחילים לשחק עם ה-Queue Depth אז המהירות יורדת ל-30%.

ב-HP האשימו את כל העולם ואחותו, כולל כמובן את הלינוקס שרץ על הברזל. באותה חברה החליטו לנסות Windows 2016 לראות אם הלינוקס אשם אבל גם שם התוצאות חזרו, ואז הם הגיעו אליי (היי, אני אשמח אם הם יהיו לקוחות קבועים שלי 🙂 ).

אז האם הבעיה קשורה למערכת ההפעלה? לא. גם לינוקס וגם Windows יכולים להתמודד עם NVME בלי שום בעיה. האם משהו דפוק בדיסקים או ב-Backplane המיוחד? גם לא. ה-Backplane עצמו אינו שונה מהותית מה-Backplane שקיים ב-DELL לדוגמא (כמובן שהלוח מעוצב מעט שונה) ובמקרה של לנובו עם שרתים כמו SR650 הפתרון שלהם נקרא Any Drive והוא לא מצריך Back Plane מיוחד – תדחוף SATA, SAS, SAS2, NVME – הכל עובד (לנובו ו-SuperMicro הם היחידים שהיו נבונים מספיק להכניס מתגי PLX ל-Back Plane מבלי שהלקוח יצטרך לרכוש תוספות).

בכדי להסביר את הבעיה, נסתכל בשרת DL320 דור 10 של HP מלמעלה:

מתחת למלבן האדום נמצאים הדיסקים. המלבן הצהוב מציין את המאווררים ששואבים אוויר דרך החורים ב-Caddy והחיצים הכחולים מציינים את כיוון האוויר (משמאל לימין). התכנון עצמו זהה גם בשרתי 2U של HP וגם אצל יצרנים אחרים. האויר חייב להגיע דרך חורי האיוורור שנמצאים ב-Caddy (בתמונה משמאל). לא רואים שיש הרבה חורים לאיוורור, אבל אם נכפיל כמות הכוננים ובעוד כמה חורים שיש – זה מספיק כדי שיכנס מספיק אויר.

וכאן בדיוק העניין: הדיסקים נמצאים לפני המאווררים, ואותם מאווררים מסתובבים במהירות די גבוהה (תלוי אם מדובר בשרת 1U או 2U או 3U – לכל אחד יש גודל מאווררים שונה – 5,10,12 או 14 ס"מ), ומכיוון שהאוויר נכנס דרך החורים בלחץ רציני, הוא קודם כל מקרר את הדיסקים בכוננים עקב ה"יניקה" של המאווררים, שזה מעולה לדיסקים מכניים ולשמירת החום הנמוך בשרת – 18-27 מעלות (השרת טכנית יכול לעבוד גם ב-40 מעלות אבל אז מאווררים יתחילו להישרף בתכיפות גבוהה).

בדיסקים SSD NVME לעומת זאת, הדברים הפוכים. SSD NVME צריך חום כדי לפעול, טמפרטורות כמו 25-40 מעלות למצב Idle וטמפרטורות כמו 40-65 מעלות במצב כתיבה וקריאה רציפים. רכיבי ה-Flash חייבים להיות חמים כדי לכתוב ולקרוא ביעילות. קר מדי? הכתיבה והקריאה יהיו איטיים. חם מדי (מעל 70 מעלות)? ה-SSD NVME יבצע Throttle כדי לשמור על עצמו. שימו לב – הדבר נכון רק כשמהעבדים מתאמצים וחום השרת עולה. במידה והשימוש במעבדים נע בין 10 ל-35% בערך, תקבלו עדיין ביצועי NVME די טובים (הטמפרטורה של ה-NVME עצמם לא משפיעים כמעט על החום בשרת עצמו, והם ניתנים למדידה עצמאית).

במילים אחרות – אם הכנסנו SSD NVME מקדימה ואנחנו מעמיסים גם על המעבדים, אנחנו די מבטיחים לעצמו שהדיסקים לא יגיעו לחום הרצוי כי האוויר מקרר את המתכת מלמעלה ולמטה. זה לא ממש רלוונטי אם אנחנו לא מחפשים את הביצועים הכי גבוהים, אבל אם אנחנו רוצים "לסחוט את המיץ" מה-SSD NVME – צריך פתרון אחר.

כדי לראות את הבעיה בצורה אחרת, הבה נסתכל על SSD NVME ל-Enterprise מבית אינטל. בתמונה מימין (כל יצרני השרתים מוכרים אותו) – תכירו: DC P4800X. זהו SSD די "חייתי", אם כי כמות האחסון שלו לא גדולה (עד 750 ג'יגהבייט) והוא מגיע ממשפחת ה-Optane שאינה NAND Flash רגיל.

כמו שאתם רואים, הכרטיס מכוסה לגמרי, למעט חורים בסוף הכרטיס ובתחילתו. הרבה אוויר לא נכנס ויוצא עם כמות החורים הללו, וזה בכוונה כי הכרטיס חייב להישאר חם על מנת לעבוד ביעילות.

אז אם נניח אנחנו רוצים להכניס עד 4 SSD NVME ולקבל ביצועים גבוהים, מה ניתן לעשות?

תכירו את את ה-Z Turbo Drive Quad Pro של HP. הכרטיס הזה משתמש בטריק שנקרא pci bifurcation, ובו המערכת "מפצלת"  PCIe X16 ל-4 "מסלולי" PCIe X4 ובכך מאפשרת ל-4 כרטיסי SSD M.2 NVME לעבוד ביחד. ישנו מאוורר בכרטיס המופעל ע"י בקר עצמאי כדי לשמור על החום כדי שיהיה ברמה המקובלת ל-SSD NVME. קונים כרטיס כזה, ומכניסים בתוכו עד 4 כרטיסי M.2 NVME (שקונים מיצרן השרתים), משנים הגדרה ב-BIOS/UEFI ומתחילים לעבוד. (הערה, הכרטיס הזה הוא עבור תחנות עבודה של HP, יכול להיות שיש לזה שם/דגם שונה לשרתים אבל פנימית הכל זהה). לכל היצרנים יש פתרון זהה.

הבעיה שתיארתי לעיל היא לא בעיה סודית, כל היצרנים (כולל יצרני SSD כמו סמסונג ואינטל) מכירים אותה והפתרונות יגיעו בשרתים חדשים, רק שכרגע יש מריבה בין אינטל לסמסונג לגבי סטנדרטים חדשים ל-SSD – סמסונג מציעה את NF1 שנכנס מקדימה עם מעטפת מתכת מיוחדת לשמירה על החום ולאינטל יש את פורמט ה"סרגל" שנקרא EDSFF (עכשיו יצרנים צריכים לבחור איזה מהפתרונות למכור, כי אין תאימות בין EDSFF ל-NF1).

כמובן שיהיו אלו שיאמרו שכבר יש בשרת חיבורי M.2 ואפשר להשתמש בהם לביצועים גבוהים – אך הבעיה שהפתרון אינו מכוסה (ולשים פתרון פד טרמי הוא פתרון גרוע ב-SSD, בגלל זה המדבקה על ה-M.2 SSD אינה מדבקת נייר אלא הפתרון הטרמי עצמו) והשרת עושה הכל כדי שכל השרת יהיה בטמפרטורה נמוכה, וכך הביצועים יורדים גם בתושבות M.2 שנמצאים על לוח האם בשרת.

לסיכום: אם אתם רוכשים מיצרן השרתים שלכם SSD NVME ואתם לא חייבים את הביצועי מעבדים ו-NVME הכי גבוהים, אפשר להכניס אותם מקדימה. לעומת זאת, אם ביצועים מאוד גבוהים תוך צריכת CPU גבוהה הם Must עבורכם, קחו כרטיס מיצרן השרתים המאפשר הכנסה של 4 כרטיסי M.2 NVME ותקבלו את הביצועים שביקשתם.